JP2006241316A

JP2006241316A - 注入材

Info

Publication number: JP2006241316A
Application number: JP2005059224A
Authority: JP
Inventors: Ryozo Yoshida; 了三吉田; Masaaki Noguchi; 雅朗野口; Norio Takahashi; 則雄高橋; Makoto Fukuyama; 誠福山; Yasuyuki Onishi; 康之大西; Hidenori Shirohata; 秀紀白旗; Takashi Hamada; 崇浜田
Original assignee: Obayashi Corp; Taiheiyo Materials Corp
Current assignee: Obayashi Corp; Taiheiyo Materials Corp
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2025-03-03
Also published as: JP4533190B2

Abstract

【課題】所望のゲルタイムを確保でき、従来の注入材では浸透性の向上が図り難かった砂地等の地盤に対しても高い浸透性を示し、初期〜中長期に渡って高い強度発現性を有する強固な地盤に改質できる注入材を提供する。
【解決手段】シリカゾル、セメントクリンカ粉末、スラグ粉末、石膏類、アルカリ金属の硫酸塩及びナフタレンスルホン酸系減水剤を含有してなる水性スラリーからなり、シリカゾルを除く全粒子の９０体積％までが１０．５μｍ以下の粒子であり、且つ４５体積％までが２．２μｍ以下の粒子である注入材。
【選択図】なし

Description

本発明は、脆弱地盤を強固な地盤に改質するための水硬性の注入材に関する。

水硬性の地盤改良用注入材としては、主にＬＷ工法に使用される水ガラスとセメントを有効成分としたスラリー状の注入材が実用化されている。従来のＬＷ工法用注入材では粒径の大きい市販のポルトランドセメントをそのまま使用することが多く、またゲル化時間が数分以内と短いため注入スラリーが深部に到達する前に固結することがあり、地盤への浸透性が概して低いものであった。浸透性を向上するために、より細かい粒径のセメントを使用したり、ゲルタイム調整剤を用いてゲル化時間を伸延することで、浸透性の改善が行われてきた。一方、改質地盤が高アルカリになるのを避ける上で水ガラスの代わりに水性コロイダルシリカ（シリカゾル）を用いることも行われており、ゲル化剤に超微粒セメントを使用することにより、ゲル化時間のコントロールを容易にし、広範囲なゲルタイムの選定と浸透性向上が図れることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような注入材でも、対象地盤によっては浸透性が向上せず、結果として地盤改質効果が十分得られない場合がある。特に、砂地等の空隙径のかなり小さい地盤では、注入材中の粒子、特にセメント粒子の粒径によって浸透性が大きく左右される。超微粒子セメントを始めとする微細粒子で材料を構成しても、この種の地盤に対しては浸透性が満足できる状況に至っていないのが実情である。この理由の１つとして、シリカゾルの使用は注入材の粘性を高めるため浸透速度の低下を起こし易いことによる。分散剤を併用すれば有効成分の濃度を低減させることなくこの弊害を解消できるが、併用効果を高めるため分散剤量を増すと凝結が遅延し、固結強度の発現性が低下することから強固な地盤に改質できなくなる。

また、シリカゾル−セメント系の注入材で、ゲル化剤としてのセメントの一部を潜在水硬性物質である高炉スラグ粉末に置換すると、ゲル化剤の反応活性が適度に抑制されるためシリカゾルの早期ゲル化を遅らせることもでき、目立った凝結遅延を生じることなく、長いゲルタイムを確保することも可能になる。更に、セメントやスラグの微粒分を除去すれば、より効果的にゲル化剤としての反応活性を抑制でき、長いゲルタイムを確実に確保することができる上に、一般にスラリー化した際に凝集化し易い微粒分が含まれないことは、注入浸透の支障要因の除去に繋がる（例えば、特許文献２参照）。しかし、この方法では凝集化を抑制できれば浸透し易い微粒子が省かれることになり、砂地のような、例えば２ｍｍ以下の小粒子が密になって形成される空隙経路のかなり狭い地盤では浸透性の向上が極めて困難になることに加え、水硬性成分の反応活性も低下するので特に初期強度の発現性低下は避けられない。
特開平１０−２３１４８１号公報特開平６−２１９７９６号公報

本発明は、所望のゲルタイムを確保でき、従来の注入材では浸透性の向上が図り難かった砂地等の地盤に対しても高い浸透性を示し、初期〜中長期に渡って高い強度発現性を有する強固な地盤に改質できる注入材を提供することを課題とする。

本発明者らは、前記課題解決のための検討を重ねた結果、シリカゾルとそのゲル化剤としてセメントとスラグを用いる注入材系で、ゲル化剤粒子の水中での凝集化や擬凝結を防ぐために特定の減水剤とアルカリ金属の硫酸塩を用い、強度発現を伸延させる上で石膏を用い、且つシリカゾルを除く粒子を特定の粒度構成に調整し、これを水で水性スラリー化したものを用いることにより、比較的長いゲルタイムを容易に確保でき、また従来、注入浸透が困難であった砂質地盤のような空隙路の狭い地盤でも十分浸透し、高い固結強度の強固な地盤に改質できることを見出し本発明を完成させた。

即ち、本発明は、シリカゾル、セメントクリンカ粉末、スラグ粉末、石膏類、アルカリ金属硫酸塩及びナフタレンスルホン酸系減水剤を含有してなる水性スラリーからなり、シリカゾルを除く全粒子の９０体積％以上が１０．５μｍ以下の粒子であり、且つ４５体積％までが２．２μｍ以下の粒子である注入材を提供するものである。

本発明の注入材を用いることにより、従来の注入材では注入浸透困難であった礫を殆ど含まない砂質地盤のような空隙路の狭い地盤でも高い浸透性が得られ、注入後の固結強度の発現性も高く、強固な地盤構造を初期から長期に渡って維持できる。また本注入材は、比較的長いゲルタイムも確保でき、その施工使用態様も所謂１、１．５、２ショットでの何れにも適用できることから作業性に富む。

本発明の注入材に用いるシリカゾルは、水性コロイダルシリカであり、コロイド状態安定のため微量のアルカリイオン又は水素イオンを含むものでも使用できる。アルカリイオン又は水素イオンの含有量は、ＳｉＯ２／Ｒ２Ｏ（但し、Ｒはアルカリ金属又は水素）のモル比でおよそ５００以下が好ましい。また、使用するシリカゾルの粒径は特に制限されないが、好ましくは３〜１００ｎｍ、より好ましくは３〜５０ｎｍである。粒径３ｎｍ未満のシリカゾルは一般にコロイド状態安定のため比較的大量のアルカリイオン含有を必要とし、ＳｉＯ2／Ｒ２Ｏのモル比が５を大きく下回って水ガラスに近い値となり、高アルカリ質の改質地盤が形成される虞がある。また１００ｎｍを超えるシリカゾルではゲル強度が低い。本注入材中のシリカゾル含有量は以下に記すセメントクリンカ粉末とスラグ粉末の合計含有量１００質量部に対し、固形分として５〜１００質量部、特に１０〜７０質量部が好ましい。シリカゾル含有量が５質量部未満では注入後の注入材が固結せずに流冒する虞があり、また１００質量部を超えると粘性が上昇し、作業性が悪くなる他、浸透性も低下し易くなる。

本発明の注入材に用いるセメントクリンカ粉末は、石灰石等のセメント原料を約１３００〜１４５０℃で焼成したものを粉砕して得られるもので、主要生成相が水硬性物質であれば限定されない。またセメントクリンカ粉末が含まれた無機粉末を使用しても良い。このような無機粉末として好適なものはセメントであり、例えば、普通ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント等の各種ポルトランドセメント、高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカセメント等の各種混合セメント、エコセメント等の特殊セメントを挙げることができ、２種以上を併用しても良い。本注入材１００質量部中のセメントクリンカ粉末の含有量は、５〜５０質量部、特に１０〜４０質量部が好ましい。含有量が５質量部未満ではシリカゾルのゲル化が殆ど進行せず、５０質量部を超えると所望のゲルタイムが著しく得難くなる。

本発明の注入材に用いるスラグ粉末は、何れのスラグ粉末でも良く、例えば製鋼スラグ、精銅スラグ、脱珪スラグ、脱燐スラグ、下水汚泥溶融スラグ、都市ゴミ溶融スラグ等の粉末が使用できる。スラグ粉末はセメントクリンカ粉末よりもゲル化剤としての反応活性が低いため、瞬結化を防ぎゲルタイムを長く設定することができることから注入地盤深部まで注入材が浸透するのに寄与する。本注入材１００質量部中のスラグ粉末の含有量は５０〜９５質量部、特に６０〜９０質量部が好ましい。スラグ粉末含有量が５０質量部未満では含有効果が得難くなり、また９５質量部を超えると初期の固結強度の低下を引き起こすことがある。

本発明の注入材に用いる石膏類は、無水石膏、半水石膏、二水石膏等の天然石膏の他、化学石膏と称されているものの何れでも良く、２種以上を併用しても良い。好ましくは無水石膏を使用する。石膏類は、専らエトリンガイト生成による初期強度発現性増進作用を付与するため使用される。本注入材１００質量部中の石膏類の総含有量は、ＳＯ３換算で０．１〜３質量部、特０．１５〜２質量部が好ましい。注入材に例えばポルトランドセメントなどの硫酸カルシウム含有物を配合使用する場合は、このような配合物に由来した硫酸カルシウム量を加味した含有量とする。石膏類の総含有量が、ＳＯ３換算で０．１質量部未満では含有効果が殆ど得られず、また３質量部を超えると凝結遅延を起し、初期強度の低下や注入成分が流冒する虞がある。

本発明の注入材に用いるアルカリ金属硫酸塩は、リチウム、ナトリウム、カリウムの何れか１種又は２種以上の硫酸化合物である。アルカリ金属硫酸塩は常温では水に溶解し、水性スラリー中でのセメントクリンカ粉末粒子やスラグ粉末粒子の擬凝結を抑制して良好な注入浸透性を確保し、また凝結遅延を起こさないことから初期強度の発現性を低下させることもない。本注入材１００質量部中のアルカリ金属硫酸塩の含有量は、０．１〜１０質量部、特に０．２〜５質量部が好ましい。０．１質量部未満では含有効果が殆ど得られず、また１０質量部を超えると硬化促進作用が強く働き浸透性が低下する。また本発明においては、シリカゾルとアルカリ金属硫酸塩とを組み合せることが重要であり、この２成分の組み合せにより良好な浸透性と十分な固結強度、すなわち、所望の深さまで浸透し、かつ所望の固結強度を達成できる。

本発明の注入材に用いるナフタレンスルホン酸系減水剤は、ナフタレンスルホン酸系の高性能減水剤や高性能ＡＥ減水剤であっても良い。より具体的には、ナフタレンスルホン酸塩ホルマリン縮合物、ポリアルキルアリルスルホン酸塩、ナフタレンスルホン酸変性リグニン縮合物、変性リグニンと高縮合芳香族スルホン酸複合体が挙げられる。また、液体でも可溶性粉体の何れでも良い。ナフタレンスルホン酸系減水剤を使用することでシリカゾルのゲル化に支障を及ぼすことなく水性スラリー中でのセメントクリンカ粉末粒子やスラグ粉末粒子の凝集を防ぎ、分散状態を維持できることから、浸透性の向上を図ることができる。本注入材中のナフタレンスルホン酸系減水剤の含有量は、固形分換算で０．０５〜３質量部、特に０．１〜２質量部が好ましい。０．０５質量部未満では含有効果が殆ど得られず、また３質量部を超えると凝結遅延を起こすことがあり、強固な地盤に改質できないことがある。

また、本発明の注入材は、前記以外の成分も本発明の効果を実質喪失させない範囲で使用することができる。このような成分として、例えば、所望のゲルタイムを設定し易くなり、また長いゲルタイムの確保も容易に行えることからゲルタイム調整剤の使用が推奨される。ゲルタイム調整剤としては特に限定されるものではないが、例えば公知のアルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属重炭酸塩、アルカリ金属燐酸塩などの無機塩を挙げることができる。ゲルタイム調整剤を使用する場合の配合量は、水硬性物質及び潜在水硬性物質の合計含有量１００質量部に対し、０．１〜１５質量部、特に０．２〜１０質量部が好ましい。０．１質量部未満では配合効果が得られず、また１５質量部を超えると強度発現性が低下することがある。

本発明の注入材は、シリカゾルを除く固形の粒子の粒度構成が、シリカゾル以外の全粒子の９０体積％以上、好ましくは９５体積％以上が粒径１０．５μｍ以下で、且つシリカゾル以外の全粒子の４５体積％以下、好ましくは３５体積％以下が粒径２．２μｍ以下である。粒径１０．５μｍ以下の粒子が９０体積％未満では粗粒分が多く含まれることから浸透性が低下することがあり好ましくない。特に、砂質地盤中等の空隙路の狭い、具体的には粒径７４μｍ以下の細粒含有率が２０％以下である砂質地盤に対しては殆ど浸透できなくなるので好ましくない。また、粒径２．２μｍ以下の粒子が４５体積％を超えると、特にゲル化剤該当成分の反応活性が高くなり過ぎて注入スラリーが地盤深部にまで達する前に固結したり、凝集化し易くなるため、強固な地盤が得られないことがあるので好ましくない。

本発明の注入材は、以上のような成分を含有するスラリー状の注入材であり、スラリー化には水が使用される。スラリー濃度としては、５〜７５質量％、特に１０〜７０質量％であることが望ましい。スラリー濃度が５質量％未満では固結化のための有効成分濃度が低くなり過ぎて強固な地盤に改質し難くなる。また、スラリー濃度が７５質量％を超えると固型粒子の分散性の低下や粘性が高くなり過ぎ、均質な固結強度の地盤への改質が困難になったり浸透性の低下を起こす虞がある。

また、本発明の注入材は、単独の水性スラリーとして施工使用する場合、製造からある程度時間を経た後での使用となるときは、流動状態を保つためモルタルやコンクリートに使用されるような、例えばクエン酸、酒石酸、グルコン酸などのカルボン酸塩やそのアルカリ金属塩などの凝結遅延剤が配合されるのが好ましい。凝結遅延剤の配合量は、水硬性物質及び潜在水硬性物質の合計含有量１００質量部に対し、約０．０５〜３質量部、特に０．１〜２質量部が好ましい。また、本発明の注入材は施工状況に応じて、シリカゾル及び必要に応じてこれにゲルタイム調整剤を加えたスラリーと、それ以外の成分を配合してなるスラリーを分けて作製し、これを注入時に合流混合又は同時に注入して地盤中で混ざるように施工使用することもできる。この場合、シリカゾル及びゲルタイム調整剤が含まれない水性スラリーのスラリー濃度は、５〜７０質量％が望ましく、またシリカゾル及び必要に応じてこれにゲルタイム調整剤を加えてなる水性スラリーのスラリー濃度は、１０〜６０質量％が望ましい。

次に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの結果より何ら制限されるものではない。なお、実施例において使用した原料は以下の通りである。

［使用材料］
水硬性混合微粉末
高炉水砕スラグ（新日本製鉄株式会社製）、普通ポルトランドセメント用クリンカ（太平洋セメント株式会社製）、無水石膏（セントラル硝子株式会社製）、ナフタレンスルホン酸系減水剤（マイティ１５０：花王株式会社製）、中性無水ボウ硝（東ソー株式会社製）、硫酸第一鉄７水和物（試薬特級：和光純薬工業株式会社製）、亜硫酸ナトリウム（試薬特級：関東化学株式会社製）、チオ硫酸ナトリウム（試薬特級：関東化学株式会社製）を使用し、表１に表す含有量および粒度分布となるように水硬性混合微粉末を作製した。ここで、高炉水砕スラグ、普通ポルトランドセメント用クリンカ、無水石膏、中性無水ボウ硝、硫酸第一鉄７水和物、亜硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウムについては、チューブミルに一括投入して混合粉砕し、遠心分級機で所望の粒度に調整した。尚、粒度測定はレーザー回折式粒度分布測定装置（ＨＥＬＯＳ＆ＲＯＤＯＳ）を用いて行なった。

シリカゾル
表２に示す物性のシリカゾルを使用した。
ゲルタイム調整剤
炭酸水素ナトリウム（試薬特級：関東化学株式会社製）

［注入材の特性評価］
上記材料を用いて下記配合を注入材として砂質地盤への浸透試験、サンドゲルの強度試験およびゲルタイム測定試験を行なった。注入材は、前記作製した各水硬性混合微粉末を水／水硬性混合微粉末重量比１９０％に調整して約１分間混練した水性スラリーをＡ液、水／シリカゾルおよびゲルタイム調整剤体積比１００％の混合水溶液をＢ液として用いた。ゲルタイム調整剤はＡ・Ｂ両液混合液のゲルタイムが約１０分程度となるよう添加した。ゲルタイムとはＡ・Ｂ両液混合後から流動性を失う時間とした。このＡ・Ｂ両液を１：１の体積比で混合後、直ちに、撹拌装置を取り付けた圧力容器内に投入し、１．０Ｋｇｆ／ｃｍ²の一定圧力で、垂直に立てたφ５×１００ｃｍアクリル管に間隙率３９％となるよう豊浦砂（平均粒径約２００μｍ、粒径７４μｍ以下の細粒分含有率１％以下、粒径２ｍｍ以上の礫分含有率０％の砂質地盤）を充填した供試体の下部より注入した。供試体砂層上部から流出した水あるいはスラリー量をグラウト注入量として測定し、この値をもって浸透性を評価した。尚、供試体は注入前に水で飽和しておき、注入完了は注入開始から１５分以内とした。測定したグラウト注入量の結果を表３に表す。多く注入できたもの（グラウト注入量が多いもの）ほど注入浸透性が高い注入材である。また、スラリー硬化後、アクリル管から脱型した硬化供試体をφ５×１０ｃｍの円柱状に加工し、材齢６時間で、地盤工学会基準「土の一軸圧縮試験方法」（Ｔ５１１）に準じて一軸圧縮強度の測定を行い、この測定値をもって初期の強度発現性を評価した。一軸圧縮強度の測定結果も表３に表す。

また、実施例２の水硬性混合微粉末に対してクエン酸ナトリウム（扶桑工業化学株式会社製）を１重量％添加したものを実施例５として水／水硬性混合微粉末重量比１９０％に調整して約１分間混練した水性スラリーをＡ液、水／シリカゾル体積比１００％の混合水溶液をＢ液として用いた。この注入材の試験結果についても表３に表す。

表３から明らかなように、シリカゾル、セメントクリンカ粉末、スラグ粉末、石膏類、アルカリ金属硫酸塩及びナフタレンスルホン酸系減水剤を配合しても、粒度分布が本発明の範囲外では十分な浸透性（注入量）及び強度発現性が得られなかった（比較例１〜４）。
また、シリカゾルを配合してもアルカリ金属硫酸塩を配合しない場合は、十分な浸透性及び強度発現性が得られなかった（比較例５〜８）。さらに、ナフタレンスルホン酸系減水剤を配合しない場合も十分な浸透性及び強度発現性が得られなかった。

実施例２の水硬性混合微粉末を用いて上記配合の注入材を作液し、豊浦砂に添加する細粒分を変化させた供試体について浸透試験およびサンドゲルの強度試験を行なった。結果を表４に示す。

Claims

シリカゾル、セメントクリンカ粉末、スラグ粉末、石膏類、アルカリ金属硫酸塩及びナフタレンスルホン酸系減水剤を含有してなる水性スラリーからなり、シリカゾルを除く全粒子の９０体積％以上が１０．５μｍ以下の粒子であり、且つ４５体積％までが２．２μｍ以下の粒子である注入材。
水性スラリーがゲルタイム調整剤を含有する請求項１記載の注入材。
砂質地盤用注入材である請求項１又は２記載の注入材。